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Molekulares Bild der Aggregatzustände

Kinetik von Phasenumwandlungen

Beim Schmelzen und Verdampfen handelt es sich um Umwandlungen, bei denen die mikroskopische Ordnung verloren geht. Diese Umwandlungen gehen leicht, d.h. schnell vonstatten. Die Dauer des Schmelzens eines größeren Körpers hängt im Wesentlichen von seiner Wärmeleitfähigkeit ab.

Umgekehrt wird beim Kondensieren und Kristallisieren eine Ordnung aus einem weniger geordneten Zustand aufgebaut. Dies geht nur bei kugelförmigen Teilchen mit ungerichteten Wechselwirkungen relativ schnell. In anderen Fällen kann es recht lange dauern, bis sich die Teilchen ordnen. Dies hat zwei Konsequenzen:

  1. Beim Kondensieren und Kristallisieren kann es leicht zur Unterkühlung kommen. Dabei existiert der ungeordnete Zustand auch noch unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur, wandelt sich aber sehr schnell um, wenn entsprechende Keime vorhanden sind. Der unterkühlte Zustand ist metastabil. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes (Mpemba-Effekt). Dieses interessante Phänomen ist seit Jahrhunderten bekannt, die früheste verbürgte Erwähnung findet sich bei Aristoteles. Mit dem Aufkommen der Wissenschaften wurde es im Mittelalter ernsthaft diskutiert, geriet dann aber während des 20. Jahrhunderts in den Bereich der Folklore. Seine Wiedereinführung in die wissenschaftliche Diskussion geht auf den tansanischen Gymnasiasten Mpemba im Jahr 1969 zurück.
  2. Steigt die Viskosität (Zähigkeit) einer Flüssigkeit mit sinkender Temperatur stark an, so haben die Teilchen keine Möglichkeit, sich am Phasenübergang umzuorientieren. Es entsteht ein Zustand, in dem die Nahordnung der Flüssigkeit über sehr lange Zeit erhalten bleiben kann. Die Probe wirkt fest, ist aber eigentlich nur extrem zäh. Derartige Gläser haben keinen definierten Schmelzpunkt, sondern werden mit zunehmender Temperatur weicher. Als Charakteristikum definiert man statt dessen die Glastemperatur, bei der die Viskosität bei etwa 10 12 kgm-1s-1 liegt. Gläser brechen unregelmäßig (splittern). Ein glattes Spalten wie bei Kristallen ist mangels Gitterebenen nicht möglich. Beispiele für Glasbildner sind Siliciumoxid, Arsenoxid, Glucose und Polymere. Auch Metalle lassen sich durch Abschrecken in einen Glaszustand bringen.
Abb.1
Vergleich der Strukturen von Kristall (links) und Glas (rechts).

Im Kristall existiert Nah- und Fernordnung, im Glas wie in einer Flüssigkeit nur Nahordnung.

The Corning Museum of Glass, Corning, NY, USA

Literatur

Jäckle, J. (1981): Glas - Festkörper oder Flüssigkeit?. In: Physik in unserer Zeit, 3. 3 , 82-89
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